Space Fine Design for Frame-supported Joints and Construction Control of a High-rise Building with Box Transfer Story
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摘要: 本文介绍了某箱型转换高层框支节点的精细设计与施工控制。根据该结构的超限情况，在设计中有针对性地采取了比现行规范更严格的抗震措施，关键构件采用抗震性能化方法设计; 对箱型转换层进行精细的有限元分析，以考察其空间整体效应; 根据目前转换结构设计和施工存在的问题，对框支节点进行了三维空间精细设计，同时制定严格的施工控制措施。实践表明，本工程采取的设计对策和施工控制措施，可有效解决框支转换结构中的钢筋密集、施工质量难以保证等技术难题，确保该结构达到预期的抗震性能目标。Abstract: Space fine design for frame-supported joints and construction control of a high-rise building with box transfer story was introduced in this paper.According to the conditions beyond code-specification, more strict anti-seismic measures than the current criterions were adopted, and a performance-based seismic design method was used to design the key components; Through the fine finite element analysis of box transfer story, the overall effect of component space was investigated; According to the current problems which existed in design and construction of transfer story, three-dimensional space fine design for frame-supported joints and strict construction control measures were used in design.Practice shows that the adopted measures in design and construction control can effectively solve the technical problems, such as the intensive construction of reinforcement for frame-supported transferring structure and the quality of construction, which can ensure the structure to achieve the earthquake performance objectives.
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1. 工程概述
郑州升龙国际中心B区5号楼工程位于郑州市，为一栋高层商住楼。该工程采用钢筋混凝土框支剪力墙结构体系，房屋高度99.96m，地上31层，地下2层，层1~4为商业，以上为住宅，为了达到转换后商业部分具有规则柱网的建筑功能需求，结构在层4顶采用箱型转换; 框支柱主要截面为1 200×1 200mm，落地剪力墙主要墙厚为400mm，标准层剪力墙主要墙厚为200mm; 转换梁主要截面为800×2 000mm; 该工程2009年7月完成设计，2011年3月建成投入使用。
建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.15g。建筑场地类别为Ⅱ类。100年重现期的基本
风压值为0.5kN/m2，地面粗糙度为C类。
2. 结构超限情况及设计对策
本工程结构标准层平面布置图及转换层结构布置分别如图 1及图 2所示。经结构分析，判定该结构属于平面凸凹不规则、扭转不规则和竖向抗侧力构件不连续; 根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定，本工程属于超限高层。针对本工程存在的超限情况，采取了如下设计对策：1)控制框支层框架的刚度，要求框支层框架的计算剪力分担比不超过25%，但按承担30%地震剪力设计; 2)对部分上部无墙体“秃头”的框支柱，在其顶部设置齐窗台的矮墙，改善其受力性能; 3)对加强转换层及其上下层楼盖采用整体有限元分析，加强其构造，确保楼盖的整体性和水平地震剪力传递的可靠性; 4)框支框架(包括转换梁和框支柱)按中震弹性性能目标设计，并对转换梁进行有限元应力分析; 5)框支柱，控制轴压比在0.5以下，并通过设置芯柱以提高其延性; 6)针对存在的平面凹凸不规则问题，在各层的平面凹进部位设置不小于2米宽的拉接板带，板厚120mm，双层双向配筋，配筋率不小于0.25%;单元连接处楼盖，考虑水平地震作用，按弹性楼盖分析和设计，楼板厚度按大震剪压比弹性控制。
3. 结构计算分析
结构的整体计算分析主要采用PMSAP和ETABS软件进行整体计算分析和比较，为了考虑箱式转换上下层板形成的空间整体作用，计算分析时转换梁及上下层板用壳单元模拟，按实际情况建模进行计算分析。结构的计算模型如图 3所示。
3.1 小震反应谱分析主要结果
小震反应谱下PMSAP和ETABS计算的前6阶周期如表 1所示，两种计算程序结果接近，可互相校核。主要计算指标如平扭周期比，结构的最大层间位移角及位移比(如表 2所示)，结构刚重比，转换层上下等效侧向刚度比等控制合理，且均能满足规范要求。
表 1 结构前6阶周期/s软件 T1 T2 T3 T4 T5 T6 PMSAP 2.336 2.241 1.889 0.696 0.650 0.520 ETABS 2.280 2.087 1.788 0.657 0.621 0.494 形态 Y X 扭转 X Y 扭转 表 2 结构最大层间位移角及位移比软件 最大层间位移角 最大位移比 不考虑偶然偏心 偶然偏心(5%) PMSAP X向 1/1266 1.02 1.04 Y向 1/1085 1.12 1.28 ETABS X向 1/1444 1.03 1.03 Y向 1/1046 1.13 1.19 3.2 小震弹性时程分析主要结果
根据规范的要求，对本工程进行了小震下的弹性时程分析，地震波选用满足规范的相关要求; 其分析结果如图 4和图 5所示。
从楼层剪力分布情况上看，反应谱得到的楼层剪力在结构上部局部楼层略小于时程分析得到的楼层剪力平均值，反应谱法对高振型的影响考虑不够，结构的基底剪力也略小于时程分析的平均值，在计算时对上部局部楼层的地震剪力适当放大，基底剪力取时程分析平均值和反应谱的最大值; 从楼层层间位移角分布情况看，结构在转换层处有突变，符合结构的实际情况。
采用ETABS软件对该结构进行弹性时程分析的结果与PMSAP计算的结果类似; 弹性时程分析结果表明，采用反应谱法计算的结果与时程分析法结果基本吻合，反应谱法能较好地反映该结构的地震响应。
3.3 中震及大震计算分析主要结果
中震弹性计算的水平地震影响系数最大值取0.34，内力调整系数取1.0，保留作用分项系数，材料强度采用设计值; 其计算结果与小震相比，框支柱和框支梁的内力有所增大，部分框支柱和框支梁的配筋由中震控制。
结构静力弹塑性push-over分析结果表明，大震下，框支柱和框支梁未出现明显的塑性铰，结构X向及Y向的最大层间弹塑性位移角满足规范的要求，能实现结构大震不倒的性能目标。
4. 箱型转换层结构分析
箱型转换层是由顶板、肋梁及底板组成的整体空间结构，分析模型正确与否对转换层自身刚度、结构整体刚度、转换构件内力大小及分配影响巨大。本工程结构分析中对箱体顶板、底板在ETABS中采用壳单元，在PMSAP中采用弹性板6来模拟; 肋梁在ETABS中采用壳单元，在PMSAP中采用转换墙来模拟，PMSAP局部计算模型见图 6。此模型能真实模拟转换墙与上下层板形成盒子空间效应，且按框支梁构造对转换墙进行各种内力调整，使用方便有效。围绕转换，设计中利用ETABS和PMSAP程序进行大量试验模拟分析，主要解决以下两个问题：其一，箱体整体刚度与肋梁布置关系以及在竖向荷载作用下上下层板区隔局部弯矩与整体弯矩关系，以此来决定除转换肋梁外肋梁布置数量及位置; 其二，箱体整体有限元模型与采用杆单元模拟的普通梁式转换在结构整体计算参数包括周期、位移以及转换肋梁内力分析对比结果，以此来确定肋梁截面及配筋。与普通梁式转换相比，在竖向和水平荷载作用下，由于箱体整体作用，使得下部框支柱的受力更加均匀; 转换肋梁的弯矩除边跨弯矩略有增加外，其余的普遍下降50%左右，肋梁剪力有增有减; 转换的上下层板除考虑弯矩外，还应注意面内的拉压应力。
5. 转换结构设计及施工现状
转换层素有结构“空中基础”之称，其设计及施工难度远大于建筑物基础。其主要特点：框支构件截面尺寸大，抗震等级高，梁柱纵筋直径大，节点区钢筋密集，且一旦钢筋就位后，调整难度很大。由于大部分设计和施工人员对框支剪力墙结构受力和构造无完整和清晰的概念，对设计及施工难度估计不足，造成在设计和施工中出现诸多问题，可归纳如下：1)设计人员对转换结构受力机理缺乏整体把控能力，结构概念不清晰，计算分析手段缺乏，出现算不清加钢筋或增大截面错误做法; 2)对框支构件及节点设计按现行国家平法图集设计，对钢筋摆放、穿插和梁柱节点区设计未进行统筹考虑及精心设计，设计深度远没达到与节点复杂相匹配的程度; 3)施工现场在转换结构施工组织，施工工艺及质量把控等方面深度和重视度不够，施工手法粗糙，无法做到精心组织，精心施工。
由于以上这些因素综合影响，在施工现场经常出现以下情况：1)框支节点区梁上部纵筋交叉锚固，钢筋密集，钢筋间隙连混凝土粗骨料都无法下去，施工单位现场需花很多时间来调整钢筋或通过切割钢筋来保证混凝土浇注和振捣，强节点、强锚固抗震构造要求更是无从谈起，如图 7所示; 2)梁底纵筋在柱区域排放杂乱无章，钢筋密集，如图 8所示，一旦梁柱模板施工完毕，此部分钢筋变成隐蔽工程，将阻挡粗骨料进到梁底以下柱段，阻碍混凝土浇筑和振捣，无法确保混凝土强度达到设计要求; 3)梁柱纵筋排布及穿插顺序有误，造成柱箍筋无法绑扎到位，出现局部大量集中，如图 9所示，在梁柱节点区内出现大量缺失箍筋和箍筋绑扎不到顶现象，严重影响节点区抗剪能力和节点强度。
6. 框支节点三维空间精细设计
根据前述设计及施工的实际情况，为保证转换层施工的可靠性，结合转换受力及构造特点，创造性地提出精细框支节点空间设计方法; 此方法特点是对框支柱和框支梁按照节点区内钢筋占位最小化原则进行钢筋空间三维摆布和穿插，然后对每根钢筋(包括梁柱纵筋及箍筋)进行平面和竖向(含钢筋空间弯曲锚固位置及角度)准确定位，其典型的框支节点及框支梁详图如图 10、11所示，其三维节点详图如图 12、13所示，现场施工效果如图 14~16所示。
在满足设计要求前提下，通过局部调整构件截面和合理配置框支梁柱钢筋，使框支梁中钢筋尽量多地贯通柱区域，同时合理调整框支梁每排纵筋个数和间距，把节点区钢筋密度降到最低，在框支节点处及框支梁顶面及底面预留足够施工空间(节点区至少保证四个上下通透净距在100mm以上振捣孔)，可以有效解决框支节点区钢筋密集，混凝土无法浇注或浇注不密实施工难题，确保达到强节点，强锚固的抗震设计要求，此设计方法已经成功应用到几十个类似工程中，取得良好效果。
7. 箱型转换层的施工控制
由于转换箱体高度较高(一般在2.0m以上)，同时肋梁及上下盖板组成封闭箱体，施工中要重点解决混凝土浇注顺序，大体积混凝土浇注质量，模板支撑等难题，据调研以往类似工程，其为了解决上述施工问题，通常施工缝留在肋梁中部(即第一次浇注下层板及肋梁一半); 但这样会造成在肋梁中部形成冷缝，混凝土无法处理，而且对未浇筑混凝土的钢筋表面造成很大污染，降低混凝土对钢筋握裹力。在本工程设计中充分考虑转换结构布置和受力特点，转换整体混凝土浇注可以分二次浇注，第一次浇注区域为下层板、肋梁全部及部分上层板，把施工缝留在上层板，以确保肋梁及受拉下层板空间整体性，在设计图纸绘制详细分次浇注平面图及相关构造做法(含顶盖钢筋搭接，封闭箱体模板设置及透气孔及振捣孔留设等)见图 17和图 18。
8. 结语
针对本工程采用转换的超限高层结构，在设计中采用抗震性能设计方法，经过弹性、弹塑性计算和分析以及采取比规范更严格的抗震措施后，结构能达到预期的抗震性能目标和规范要求; 转换与普通梁式转换受力有较大区别，在计算分析中应充分考虑上下层楼板与肋梁之间形成的空间受力关系，以真实反映实际受力情况; 本文提出的精细框支节点空间设计和三维设计方法，可以有效解决框支节点区钢筋密集混凝土无法浇注或浇注不密实施工难题，确保达到强节点、强锚固的抗震设计要求; 设计时充分考虑转换结构的受力特点，并提出相应的施工方法，有效解决了混凝土浇注顺序，大体积混凝土浇注质量，模板支撑等难题。
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表 1 结构前6阶周期/s
软件 T1 T2 T3 T4 T5 T6 PMSAP 2.336 2.241 1.889 0.696 0.650 0.520 ETABS 2.280 2.087 1.788 0.657 0.621 0.494 形态 Y X 扭转 X Y 扭转 
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表 2 结构最大层间位移角及位移比
软件 最大层间位移角 最大位移比 不考虑偶然偏心 偶然偏心(5%) PMSAP X向 1/1266 1.02 1.04 Y向 1/1085 1.12 1.28 ETABS X向 1/1444 1.03 1.03 Y向 1/1046 1.13 1.19
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